(57)【要約】【課題】炉心出口での蒸気温度の低下を起こさずに、熱中性子型の超臨界圧水冷却炉の炉心に必要な減速能を確保する。【解決手段】水ロッド６および複数の燃料棒３と、それらの側面を囲むチャンネルボックス１とを備えた燃料集合体３０を複数体配列し、超臨界圧水を減速材および冷却材として使用し、チャンネルボックス１の外側と、チャンネルボックス１の内側で水ロッド６の外側の領域に上向きに冷却材が流れるように構成された超臨界圧水冷却原子炉である。燃料棒３の上部高さ位置でチャンネルボックス１の外側から水ロッド６内に減速材を供給する水ロッド減速材供給路１６が設けられ、燃料棒２の下部高さ位置で水ロッド６内の冷却材をチャンネルボックス１内で水ロッド６外に流出させるように水ロッド６の壁に減速材流出孔１３が設けられ、水ロッド６内の減速材が下向きに流れる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ鉛直方向に互いに平行に延びる少なくとも１本の水ロッドおよび複数の燃料棒と、それらの水ロッドおよび複数の燃料棒の側面を囲むチャンネルボックスとを備えた燃料集合体を複数体配列し、超臨界圧水を減速材および冷却材として使用し、前記チャンネルボックスの外側のバイパス領域と、前記チャンネルボックスの内側で前記水ロッドの外側の領域とに上向きに冷却材が流れるように構成された超臨界圧水冷却原子炉において、
前記燃料棒の上方の高さ位置で前記チャンネルボックスの外側から前記水ロッド内に減速材を供給する水ロッド減速材供給路が設けられ、
前記燃料棒の下部高さ位置で前記水ロッド内の減速材を前記チャンネルボックス内で前記水ロッド外の領域に流出させるように前記水ロッドの壁に減速材流出孔が設けられ、
前記水ロッド内の減速材が下向きに流れるように構成されていること、
を特徴とする超臨界圧水冷却原子炉。
【請求項２】
前記減速材流出孔は、前記複数の燃料棒の間の位置に対向するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超臨界圧水冷却原子炉。
【請求項３】
前記減速材流出孔は、前記チャンネルボックス内で水ロッド外の領域の冷却材に旋回流を生じさせるように配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超臨界圧水冷却原子炉。
【請求項４】
前記水ロッド減速材供給路は、前記水ロッドに向かって下がるように傾斜していることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の超臨界圧水冷却原子炉。
【請求項５】
前記水ロッド減速材供給路は前記水ロッドの上端の内側につながっており、前記水ロッドの上端の内面が前記水ロッドの中央に向かって下がるように傾斜していることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の超臨界圧水冷却原子炉。
【請求項６】
前記水ロッド減速材供給路および前記水ロッドの上部の内面の少なくとも一部に断熱材が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の超臨界圧水冷却原子炉。
【請求項７】
前記水ロッドは、内管とこの内管の外側に配置された外管とを有し、前記内管と外管の間に環状の真空空間が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の超臨界圧水冷却原子炉。
【請求項８】
前記燃料集合体は、オリフィスを具備する燃料支持金具で支持され、このオリフィスを通過した冷却材の少なくとも一部が前記チャンネルボックス内で前記水ロッド外の領域の下部に流入するように構成されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の超臨界圧水冷却原子炉。
【請求項９】
ほぼ鉛直方向に互いに平行に延びる少なくとも１本の水ロッドおよび複数の燃料棒と、それらの水ロッドおよび複数の燃料棒の側面を囲むチャンネルボックスとを備えた燃料集合体であって、超臨界圧水を減速材および冷却材として使用し、前記チャンネルボックスの外側のバイパス領域と、前記チャンネルボックスの内側で前記水ロッドの外側の領域とに上向きに冷却材が流れるように構成された超臨界圧水冷却燃料集合体において、
前記燃料棒の上方の高さ位置で前記チャンネルボックスの外側から前記水ロッド内に減速材を供給する水ロッド減速材供給路が設けられ、
前記燃料棒の下部高さ位置で前記水ロッド内の減速材を前記チャンネルボックス内で前記水ロッド外に流出させるように前記水ロッドの壁に減速材流出孔が設けられ、
前記水ロッド内の減速材が下向きに流れるように構成されていること、
を特徴とする超臨界圧水冷却燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超臨界圧水を冷却材および減速材として利用する原子炉（超臨界圧水冷却炉）および、この原子炉内に装荷される燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
超臨界圧水冷却炉は、超臨界圧の蒸気を用いてタービンを駆動する原子炉である（特許文献１、２参照）。水は臨界圧（２２．１ＭＰａ）を越えると水と蒸気の区別がなくなり、温度の上昇によって水の特徴を持った流体から、蒸気の特徴を持った流体（ここでは、蒸気と呼ぶ）へと連続的に変化する。図９は、２４ＭＰａ（超臨界圧）における水の密度、および定圧比熱の変化を示している。定圧比熱がピークを持つ温度を擬臨界温度と呼ぶ。密度はこの温度を境に急激に変化する。このような超臨界圧水の特徴を生かし、超臨界圧水冷却炉では、貫流型直接サイクルのプラント構成を実現できる。すなわち、給水ポンプによって原子炉に供給された超臨界圧水は炉心の燃料によって加熱され、水と蒸気の区別がないためその全量が蒸気へと変化する。この蒸気はタービンへと導かれ、タービンを駆動し、発電機を回して発電を行なう。高温高圧の超臨界圧水を用いるため、従来の軽水炉と比べて熱効率を向上させることができる。たとえば、従来軽水炉の熱効率３５％程度が、４５％程度へ向上することが期待される。
【特許文献１】特開２００５−９１２９１号公報
【特許文献２】特開２００３−１３９８８１号公報
【特許文献３】特開平８−２８５９７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来考えられている超臨界圧水冷却炉では以下の課題がある。すなわち、熱中性子炉として設計した場合の減速能力の確保である。
【０００４】
単純な燃料集合体を用いた超臨界圧水冷却炉では、冷却材は、炉心支持金具の下部に設けられた炉心入口オリフィスを通って燃料集合体下部へ導かれ、下部タイプレートに設けられた冷却材流入孔を通り、燃料棒を冷却しながら次第に全量が蒸気へと変化して、上部タイプレートに設けられた冷却材流出孔から流出する。
【０００５】
図１０にＡＢＷＲ（改良型沸騰水型原子炉）と単純な燃料集合体を用いた超臨界圧水冷却炉における炉心入口、炉心中央、炉心出口の水の平均密度の変化を示す。ＡＢＷＲでは、炉心出口は水と蒸気の二相流となっているため、水密度の低下は少なく、十分な減速能を確保できる。これに対して超臨界圧水冷却炉では、冷却材の全量が蒸気へと変化するため、炉心出口では水密度は著しく低下し、必要な減速能を確保することが困難になる。
【０００６】
この課題に対応するため、たとえばＢＷＲ（沸騰水型原子炉）で採用されている水ロッドを用いることが考えられる。この場合、燃料集合体中央に水ロッドが配置されている。水ロッドの下部に設けられた減速材流入孔から水が水ロッド内部に入り、水ロッド内を水の状態のまま通り抜け、上部に設けられた減速材流出孔から流出する。水ロッドの中の水が減速能を補い、十分な減速能を確保することができる。
【０００７】
この構造では、水ロッドから流出した温度の低い水が燃料集合体上部で蒸気と混合し、蒸気のエンタルピを低下させる。飽和蒸気を用いるＢＷＲでは蒸気の一部が凝縮し水（液体）に戻るが、気水分離器および蒸気乾燥機によって気体と液体が分離され、気体のみが蒸気タービンへ送られる。
【０００８】
ところが、気液の区別のない水を用いる超臨界圧冷却炉では、このような構造の水ロッドを採用した場合は蒸気の温度が下がり、超臨界圧水冷却炉の特徴である熱効率の向上が抑制されてしまう。また、燃料の発熱量を増加することで蒸気温度を高め、水ロッドから流出した水と混合させても所望の熱効率を得るようにするという考えもあるが、蒸気の温度上昇は燃料棒の表面温度の上昇をもたらし、燃料棒健全性に対する熱的な余裕を減少させる。
【０００９】
なお、ＢＷＲやＡＢＷＲでは、チャンネルボックスの外側のバイパス領域には液体の水が流れている（特許文献３参照）。
【００１０】
以上の課題を踏まえて、本発明の目的は、炉心出口での蒸気温度の低下を起こさずに熱中性子型の超臨界圧水冷却炉の炉心に必要な減速能を確保することが可能な超臨界圧水冷却炉燃料および炉心を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明に係る超臨界圧水冷却原子炉は、ほぼ鉛直方向に互いに平行に延びる少なくとも１本の水ロッドおよび複数の燃料棒と、それらの水ロッドおよび複数の燃料棒の側面を囲むチャンネルボックスとを備えた燃料集合体を複数体配列し、超臨界圧水を減速材および冷却材として使用し、前記チャンネルボックスの外側のバイパス領域と、前記チャンネルボックスの内側で前記水ロッドの外側の領域とに上向きに冷却材が流れるように構成された超臨界圧水冷却原子炉において、前記燃料棒の上方の高さ位置で前記チャンネルボックスの外側から前記水ロッド内に減速材を供給する水ロッド減速材供給路が設けられ、前記燃料棒の下部高さ位置で前記水ロッド内の減速材を前記チャンネルボックス内で前記水ロッド外の領域に流出させるように前記水ロッドの壁に減速材流出孔が設けられ、前記水ロッド内の減速材が下向きに流れるように構成されていること、を特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る超臨界圧水冷却燃料集合体は、ほぼ鉛直方向に互いに平行に延びる少なくとも１本の水ロッドおよび複数の燃料棒と、それらの水ロッドおよび複数の燃料棒の側面を囲むチャンネルボックスとを備えた燃料集合体であって、超臨界圧水を減速材および冷却材として使用し、前記チャンネルボックスの外側のバイパス領域と、前記チャンネルボックスの内側で前記水ロッドの外側の領域とに上向きに冷却材が流れるように構成された超臨界圧水冷却燃料集合体において、前記燃料棒の上方の高さ位置で前記チャンネルボックスの外側から前記水ロッド内に減速材を供給する水ロッド減速材供給路が設けられ、前記燃料棒の下部高さ位置で前記水ロッド内の減速材を前記チャンネルボックス内で前記水ロッド外に流出させるように前記水ロッドの壁に減速材流出孔が設けられ、前記水ロッド内の減速材が下向きに流れるように構成されていること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、炉心出口での蒸気温度の低下を起こさずに、熱中性子型の超臨界圧水冷却炉の炉心に必要な減速能を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態を図１から図８を参照して説明する。
【００１５】
［第１の実施形態］
図１は本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第１の実施形態の燃料集合体付近を示す縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ線水平断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線水平断面図、図４は図１の燃料集合体の上端付近を示す斜視図である。
【００１６】
この超臨界圧水冷却炉には多数の燃料集合体３０が水平方向に配列されているが、図１ではこのうちの２体を示している。燃料集合体３０は、たとえば４体ずつが燃料支持金具７に支持されている。燃料支持金具７は多数あって、これらは水平方向に延びる炉心支持板８を貫通して炉心支持板８に支持されている。燃料支持金具７の下方には制御棒案内管９が配置され、図示しない制御棒が、制御棒案内管９内を上下方向に駆動され、さらに、互いに隣接する燃料集合体３０の間のバイパス領域３１を上下方向に駆動されるようになっている。
【００１７】
燃料集合体３０では、上下に延びる多数の燃料棒２が正方格子状に配列され、これらの燃料棒２に囲まれた中央に水ロッド６が配置されている。水ロッド６は図示の例では断面がほぼ正方形の角筒状であるが、円筒状など、他の形状であってもよい。燃料棒２および水ロッド６は上端付近で上部タイプレート４によって結合され、下端では下部タイプレート５によって結合されている。さらに、上部タイプレート４と下部タイプレート５の間にスペーサー３が配置されている。燃料棒２の配列の側部を囲むようにたとえば角筒状のチャンネルボックス１が配置されている。下部タイプレート５には、燃料棒２の周囲に冷却材を導入するための多数の冷却材流入孔１２が設けられている。また、上部タイプレート４には、燃料棒２の周囲を通った冷却材を取り出すための多数の冷却材流出孔１４が設けられている。
【００１８】
炉心支持金具７の下部にはオリフィス１０が設けられている。冷却材は、オリフィス１０を通じて下部タイプレート５の下部に導入され、さらに、冷却材流入孔１２を通じて燃料棒２周辺に送られるように構成されている。
【００１９】
炉心支持板８には炉心支持板冷却材通過孔１５が設けられ、ここを通じて冷却材が燃料集合体３０の外側のバイパス領域３１を上昇できるように構成されている。
【００２０】
チャンネルボックス１の上端は上部タイプレート４よりも上方に延びており、上部タイプレート４よりも上方に減速材流入孔１１が形成されている。水ロッド６は上部タイプレート４よりも上方にまで延びており、その上端は閉じており、その上端の側面で、水ロッド減速材供給配管（水ロッド減速材供給路）１６を通じて減速材流入孔１１に連絡している。
【００２１】
水ロッド６の下端は閉じており、その側面には、下部タイプレート５の上方で燃料棒２の配列に向かって開口する減速材流出孔１３が設けられている。減速材流出孔１３は、好ましくは、互いに隣接する燃料棒２同士の間の位置に向かうように設けられている。
【００２２】
上記構成において、冷却材であり減速材でもある水は、炉心支持金具７の下部に設けられた炉心入口オリフィス１０と炉心支持板冷却材通過孔１５に分かれて流れる。炉心入口オリフィス１０を通った水は、燃料集合体３０の下部へ導かれ、下部タイプレート５に設けられた冷却材流入孔１２を通って燃料棒２を直接冷却する流れとなる。
【００２３】
一方、炉心支持板冷却材通過孔１５を通った水は、燃料集合体３０の上部に設けられた減速材流入孔１１から入って、水ロッド減速材供給配管１６を経由して水ロッド６へと流入する。水ロッド６に流入した水は下向きに流れ、減速材流出孔１３から流れ出て、燃料棒２の下部で冷却材流入孔１２を通った水と混合して、燃料棒２の冷却に寄与する。水ロッド６を通過した水が燃料棒２の下部で、残りの水と混合するため、蒸気の温度が低下することはなく、必要な減速能を確保することができる。
【００２４】
減速材流出孔１３が、互いに隣接する燃料棒２同士の間の位置に向かうように設けられている場合は、燃料棒２間の冷却材チャンネルへの冷却材の供給をスムースに行なうことができる。
【００２５】
［第２の実施形態］
図５は、本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第２の実施形態の燃料集合体の下部を示す水平断面図である。ここで、第１の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して重複説明は省略する。
【００２６】
減速材流出孔１３の存在する横断面（水平断面）において、減速材流出孔１３の位置および／または向きを、中心線（対称な位置および／または向き）からずれた位置および／または向きとする。これにより、減速材流出孔１３を出た水の流れと冷却材流入孔１２から流入する水とで燃料集合体内に旋回流を生じさせ、燃料棒２の冷却を促進させることができる。
【００２７】
［第３の実施形態］
図６は、本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第３の実施形態の燃料集合体の上部の水ロッド減速材流路を模式的に示す縦断面図である。ここで、第１の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して重複説明は省略する。
【００２８】
この実施形態では、水ロッド減速材供給配管１６が、水ロッド６に向かうにつれ下向きになるような傾斜を持っている。これにより、水ロッド６の内部に溜まった水素などの非凝縮性ガスをベントすることができる。
【００２９】
［第４の実施形態］
図７は、本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第４の実施形態の燃料集合体の上部の水ロッド減速材流路を模式的に示す縦断面図である。この実施形態は第３の実施形態（図６）の変形例である。ここで、第３の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して重複説明は省略する。
【００３０】
この実施形態では、水ロッド６の上面内側に、中央が下方に向かって突出した整流板１７を設ける。これにより、水ロッド６内部の水の流れをスムースに下方に向け、流路の圧損の変動を抑制することができる。
【００３１】
［第５の実施形態］
図８は、本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第５の実施形態の燃料集合体の上部の水ロッド減速材流路を模式的に示す縦断面図である。この実施形態は第３の実施形態（図６）または第４の実施形態（図７）の変形例である。ここで、第３または第４の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して重複説明は省略する。
【００３２】
この実施形態では、水ロッド６と水ロッド減速材供給配管１６の上面と側面および下面に断熱材１８を配置させる。これにより、水ロッド６の上部近傍に存在する蒸気と水ロッド６および水ロッド減速材供給配管１６の中の水とが熱交換をする量を極力低減し、比較的温度の低い、すなわち密度の大きな水を水ロッド６に供給することができる。
【００３３】
［第６の実施形態］
第6の実施形態では、上記実施形態のいずれかにおいて、水ロッド６を、内管と、内管を囲む外管とからなる２重構造とし、内管と外管の間の環状空間を真空に保つ。これにより、水ロッド６内の水と水ロッド６外の水と間の熱交換量を極力低減させることができる。これにより、比較的温度の低い、すなわち密度の大きな水を、水ロッド６に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第１の実施形態の燃料集合体付近を示す縦断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線水平断面図。
【図３】図１のＢ−Ｂ線水平断面図。
【図４】図１の燃料集合体の上端付近を示す斜視図。
【図５】本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第２の実施形態の燃料集合体の下部を示す水平断面図。
【図６】本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第３の実施形態の燃料集合体の上部の水ロッド減速材流路を模式的に示す縦断面図。
【図７】本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第４の実施形態の燃料集合体の上部の水ロッド減速材流路を模式的に示す縦断面図。
【図８】本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第５の実施形態の燃料集合体の上部の水ロッド減速材流路を模式的に示す縦断面図。
【図９】超臨界圧水の物性値変化を示すグラフ。
【図１０】ＡＢＷＲおよび超臨界圧水冷却炉の冷却材密度の縦方向分布を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３５】
１…チャンネルボックス
２…燃料棒
３…スペーサー
４…上部タイプレート
５…下部タイプレート
６…水ロッド
７…燃料支持金具
８…炉心支持板
９…制御棒案内管
１０…炉心入口オリフィス
１１…減速材流入孔
１２…冷却材流入孔
１３…減速材流出孔
１４…冷却材流出孔
１５…炉心支持板冷却材通過孔
１６…水ロッド減速材供給配管（水ロッド減速材供給路）
１７…整流板
１８…断熱材
【図１】
2007198997.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007198997.tif 000009
【図８】
2007198997.tif 000010
【図９】
2007198997.tif 000011
【図１０】
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